EPA-452/F-03-004

Hoja de Datos - Tecnología de Control de Contaminantes del Aire

Hoja de Datos EPA-CICA Filtro de TelaColector Tipo Cartucho1

Nombre de la Tecnología: Filtros de Papel/Material No Tejido - Colector Tipo Cartucho con Limpiezapor Chorro Pulsante (también referido como Medio Extendido)

Tipo de Tecnología: Dispositivo de Control - Captura/Disposición

Contaminantes Aplicables: Materia Particulada (MP), incluyendo materia particulada de diámetroaerodinámica menor o igual a 10 (µm) (MP10), materia particulada de diámetro aerodinámico menor o iguala 2.5 µm (MP2.5), y Contaminantes Peligrosos del Aire (CPA) en forma particulada, tales como la mayoría delos metales (con la notable excepción del mercurio, ya que una porción importante de las emisiones se hallanen forma de vapor elemental).

Límites de Emisión Alcanzables/Reducción:

Los colectores tipo cartucho más viejos que aún existen, tienen un rango actual de eficiencias de operaciónde 99 a 99.9% para MP10 y MP2.5. Los eficiencias típicas de diseño de equipo nuevo están entre 99.99 y99.999+% (Ref. EPA, 1998b). Además, los diseños disponibles comercialmente son capaces de controlarMP submicrométrica (de diámetro 0.8 µm o mayor), con una eficiencia de remoción de 99.999+% (Ref. AAF,1999; Torit, 1999). Varios factores determinan la eficiencia de recolección de los filtros de cartucho,incluyendo la velocidad de filtración del gas, las características de partícula, las características del mediofiltrante y el mecanismo de limpieza. En general, la eficiencia de recolección aumenta con incrementos enla velocidad de filtración y del tamaño de partícula.

Para una combinación dada de diseño de filtro y polvo, la concentración de partículas del efluente de uncolector de cartucho es casi constante, mientras que la eficiencia global es más probable que varíe con lacarga de particulado. Por esta razón, los colectores de cartucho pueden considerarse dispositivos deconcentración de salida constante en vez de dispositivos de eficiencia constante. La concentraciónconstante del efluente se obtiene porque, en un momento dado, parte del medio filtrante está siendo limpiado.Como resultado de los mecanismos de limpieza utilizados en los colectores de cartucho, la eficiencia derecolección está cambiando constantemente. Cada ciclo de limpieza remueve al menos parte de la plastadel filtro y afloja las partículas que permanecen en el filtro. Cuando se reinicia la filtración, la capacidad defiltrado se ha reducido, porque la plasta y las partículas sueltas han sido empujadas a través del filtro por elflujo del gas. A medida que las partículas son capturadas, la eficiencia de recolección se incrementa hastael siguiente ciclo de limpieza. Las eficiencias promedio de recolección de los colectores de cartucho sedeterminan usualmente de pruebas que cubren un número de ciclos de limpieza a carga de entradaconstante. (Ref. EPA, 1998a)

Tipo de Fuente Aplicable: Punto

Aplicaciones Industriales Típicas:

Los colectores de cartucho funcionan muy efectivamente en muchas aplicaciones diferentes. En la Tabla1 se presentan aplicaciones comunes de sistemas de filtros de cartucho con limpieza por chorro pulsante.Además de estas aplicaciones, los colectores de cartucho pueden utilizarse en cualquier proceso donde segenere polvo y que pueda ser atrapado y conducido a una localización central.

Hoja de Datos EPA-CICA Filtro de TelaColector Tipo Cartucho2

Tabla 1. Aplicaciones Industriales Típicas de Colectores de Cartucho con Limpieza por ChorroPulsante (Ref. EPA, 1997; Heumann, 1997)

Aplicación Source Classification Code - (Código de Clasificación de laFuente en EE. UU.)

Productos de Metal FabricadosLimpieza Abrasiva 37323

Maquinado 3-09-300Soldadura 3-09-005,

3-09-040...059Esmerilado y Fresado de Pigmentos 3-01-014-30...41,

3-01-020-30...41,3-01-035-50..54

Productos Minerales:Manufactura de Cemento 3-05-006...007

Purificación del Carbón 40241

Explotación y Procesamiento de Piedra 40241Otros 3-05-003...999

Manufactura de Asfalto 3-05-001...002Molienda de Granos 39142

Características de la Corriente de Emisión:

a. Flujo de Aire: Los colectores de cartucho están actualmente limitados a aplicaciones conbaja capacidad de flujo de aire. Los colectores de cartucho estándar son unidadesconstruidas de fábrica, en existencia.Pueden manejar flujos de aire de menos de 0.10 a másde 5 metros cúbicos estándar por segundo (sm3/sec)(“cientos” a más de 10,000 pies cúbicosestándar por minuto (scfm)). (Ref. EPA, 1998b)

b. Temperatura: Las temperaturas están limitadas por el tipo de medio filtrante y de selladorutilizados en los cartuchos. Los cartuchos estándar que utilizan medios filtrantes de papel,pueden manejar temperaturas del gas hasta cerca de 95°C (200°F) (Ref. EPA, 1998b). Losfiltros de cartucho utilizando un medio de material sintético, no tejido, tales como fieltrosperforados por aguja fabricados de poliéster o Nomex®, pueden soportar temperaturas hastacerca de 200°C (400°F) con selladores de material apropiado (Ref. IFF, 1999).

Se puede utilizar enfriadores por aspersión o dilución con aire para bajar la temperatura de lacorriente del contaminante. Esto evita que se excedan los límites de temperatura del mediofiltrante. Bajar la temperatura puede resultar en mayor humedad de la corriente delcontaminante. Por lo tanto, la temperatura mínima de la corriente del contaminante debepermanecer por encima del punto de rocío de cualquier condensable en la corriente. Elcolector de cartucho y los conductos asociados deben de aislarse y posiblemente calentarse sipudiera ocurrir condensación (Ref. EPA, 1998b).

c. Carga de Contaminante: Las concentraciones típicas de entrada de los colectores decartucho son de 1 a 23 gramos por metro cúbico (g/m3) (0.5 a 10 granos por pie cúbico (gr/ft3))(Ref. EPA, 1998b). Los filtros de cartucho, los cuales utilizan medios de material sintético no

Hoja de Datos EPA-CICA Filtro de TelaColector Tipo Cartucho3

tejido, tales como los fieltros perforados por aguja, fabricados de poliéster o Nomex®, soncapaces de manejar concentraciones de entrada hasta de 57 g/m3 (25 gr/ft3) (Ref. IFF, 1999).

d. Otras Consideraciones: El contenido de humedad y de corrosivos en la corriente gaseosason las principales consideraciones de diseño. Los filtros de cartucho estándar se puedenutilizar en servicios a presión o a vacío, pero solamente dentro del rango de aproximadamente± 640 milímetros de columna de agua (25 pulgadas de columna de agua) (Ref. AWMA, 1992). Se ha demostrado que las casas de bolsas son capaces de reducir las emisiones totales departículas a menos de 0.05 g/m3 (0.010 gr/ft3) * (Ref. AWMA, 1992). La penetración de MP enlos colectores de cartucho es generalmente varias veces menos que en los diseñostradicionales de casas de bolsas. (Ref. Heumann, 1997).

Requisitos de Pre-Tratamiento de las Corrientes de Emisiones:

Debido a la amplia variedad de filtros disponibles al diseñador, por lo general, la temperatura de entrada dela corriente del contaminante no requiere pre-tratamiento. Sin embargo, en algunas aplicaciones atemperaturas altas, el costo de filtros de cartucho resistentes a altas temperaturas debe de ponderarse contrael costo de disminuir la temperatura de entrada con enfriadores por aspersión o con dilución con aire (Ref.EPA, 1998b). Cuando gran parte de la carga del contaminante consiste de partículas relativamente grandesse pueden utilizar colectores mecánicos tales como los ciclones para reducir la carga en el medio filtrante,especialmente a altas concentraciones de entrada (Ref. EPA, 1998b).

Información de Costos: A continuación se presentan los costos estimados, expresados en dólares del2002, para colectores de cartucho con limpieza por chorro pulsante. Para las estimaciones de los costos,se supone un diseño convencional a condiciones típicas de operación. No se incluye equipo auxiliar, talescomo ventiladores y conductos. Los costos son elaborados utilizando unas hojas de cálculo de la EPA paraestimación de costos de filtros de tela (Ref. EPA, 1998b).

Los costos están dictados primordialmente por la relación de flujo volumétrico de la corriente residual y lacarga del contaminante. En general, una unidad pequeña controlando una carga baja de contaminantes,no será tan efectiva en costo como una unidad grande controlando una carga alta de contaminantes. Loscolectores de cartucho están actualmente limitados a aplicaciones con bajas relaciones de flujo. El costo decapital de un colector de cartucho es significativamente menor que el de una casa de bolsas; sin embargo,los costos de operación y mantenimiento (O y M), tienden a ser mayores. Los costos presentados son pararelaciones de flujo de 5 m3/s (10,000 scfm) y 1.0 m3/s (2,000 scfm), respectivamente y para cargas delcontaminante de 9 g/m3 (4.0 gr/ft3).

Los contaminantes que requieren un nivel de control inusualmente alto o que requieren que los mediosfiltrantes o la unidad en sí, sean construidas de materiales especiales tales como Nomex® o acero inoxidable,incrementarán los costos del sistema (Ref. EPA, 1998b). Los costos adicionales para controlar corrientesresiduales más complejas, no están reflejados en las estimaciones dadas más abajo. Para estos tipos desistemas, el costo de capital podría incrementarse tanto como 75% y los costos de O y M se podríanincrementar tanto como 10%.

a. Costo de Capital: $15,000 a $28,000 por m3/s ($7 a $19 por scfm)

b. Costo de O y M: $20,000 a $52,000 por m3/s ($9 a $265por scfm), anualmente

c. Costo Anualizado: $26,000 a $80,000 por m3/s ($13 a $38 por scfm), anualmente

d. Eficiencia de Costos: $94 a $280 por ton. métrica ($85 a $286 por ton. corta)

Hoja de Datos EPA-CICA Filtro de TelaColector Tipo Cartucho4

Teoría de Operación:

Los filtros de cartucho contienen medios filtrantes ya sea de papel o de material fibroso no tejido. Los mediosde papel son generalmente fabricados de materiales naturales o sintéticos tales como celulosa o fibra devidrio. Los medios de materiales no tejidos son generalmente fabricados de materiales sintéticos tales comoNomex®, poliéster o polipropileno (Ref. EPA, 1998a; Heumann, 1997). El medio filtrante se soporta pormarcos de alambre, internos y externos. Se pasa la corriente de gas residual a través del medio filtrantefibroso, ocasionando que la MP en la corriente de gas sea recolectada en el medio por tamizado y otrosmecanismos. La plasta de polvo que se forma en el medio filtrante por la MP recolectada, puede aumentarsignificativamente la eficiencia de recolección (Ref. EPA, 1998a).

En general, el medio filtrante está plisado para proporcionar una mayor área superficial por la relación de flujovolumétrico. Por esta razón, a los filtros de cartucho también se les conoce como medios filtrantesextendidos. Sin embargo, un plisado muy cerrado puede causar que la MP cubra el fondo de los pliegues,reduciendo en forma efectiva el área superficial (Ref. EPA, 1998a). Con frecuencia se emplean separadorescorrugados de aluminio para evitar el colapso del medio filtrante (Ref. Heumann, 1997). La profundidad delos pliegues puede variar desde 2.5 centímetros (cm) (1 pulgada) hasta 40 centímetros (cm) (16 pulgadas)(Ref. EPA, 1998a). Generalmente, el espaciamiento del plisado es entre 12 y 16 pliegues por pulgada,aunque ciertas condiciones requieren menos pliegues, de 4 a 8 pliegues por pulgada (Ref. EPA, 1998b).

Existe una amplia variedad de diseños y dimensiones de cartuchos. Los diseños típicos incluyen panalesplanos, paquetes en forma de V o paquetes cilíndricos (Ref. Heumann, 1997). Los paquetes cilíndricosdisponibles comercialmente son de 15 a 35 centímetros (cm) (6 a 14 pulgadas) de diámetro aproximadamentey de 40 a 122 cm (16 a 48 pulgadas) de longitud (Ref. EPA, 1998a).

El cartucho está cerrado por uno de sus extremos con una tapa de metal. El medio se sella a la tapautilizando poliuretano plástico, resina epóxica u otro sellador disponible comercialmente. En algunasaplicaciones se pueden colocar dos cartuchos en serie. Los cartuchos se colocan en un marco construidode metal o de madera. Un empaque de neopreno o de silicón sella el marco al lado del plenum del aire limpiodel colector. Cuando se reconvierte una casa de bolsas, los cartuchos pueden montarse horizontalmenteo verticalmente (Ref. EPA, 1998a).

El reemplazo de los cartuchos se realiza generalmente afuera del colector. Esto reduce el riesgo deexposición de los trabajadores de mantenimiento a la MP. Esta particularidad es especialmente importantepara aplicaciones de CPA. En muchas aplicaciones con CPA, la Occupational Safety and HealthAdministration (OSHA - Administración de Salud y Seguridad Ocupacionales), requiere procedimientosespeciales para el reemplazo de filtros, comúnmente conocidos como procedimientos bag in/bag out (bolsapuesta/bolsa quitada) (Ref. Heumann, 1997).

Las condiciones de operación son factores importantes en la selección del medio filtrante y de los selladoresutilizados en los cartuchos. Algunos medios filtrantes, tales como los filtros de papel de celulosa, son útilessolo a temperaturas relativamente bajas de 95 a 150°C (200 a 300°F). Para corrientes de gas de combustióna alta temperatura, deben utilizarse medios filtrantes más estables térmicamente, tales como los de poliésterno tejido, polipropileno o Nomex® (Ref. EPA, 1998a). Una variedad de selladores disponiblescomercialmente, tales como el plástico poliuretano y las resinas epóxicas, permitirán temperaturas deoperación hasta de 150°C (300°F). Algunos selladores especiales, como el Plasitcol® curado con calor,soportarán temperaturas de operación hasta de 200°C (400°F) (Ref. EPA, 1998a; IFF, 1999).

La aplicación práctica de los colectores de cartucho, requiere el uso de una gran superficie del medio, paraevitar inaceptables caídas de presión a través del medio filtrante. El número de cartuchos utilizados en uncolector en particular, está determinado por la selección de la relación de aire-a- tela, o por la relación de flujovolumétrico a la superficie del medio filtrante (Ref. ICAC, 1999). La selección de la relación de aire-a-tela

Hoja de Datos EPA-CICA Filtro de TelaColector Tipo Cartucho5

depende de la carga de particulado, de las características del particulado y del método de limpieza utilizado. Una carga alta de particulado requerirá el uso de un número mayor de cartuchos para evitar la formación deuna plasta pesada de polvo, lo que resultaría en una caída de presión excesiva (Ref. ICAC, 1999). Losmedios filtrantes de papel y de material no tejido utilizados en los filtros de cartucho, tienen caídas de presiónmás grandes que las telas tejidas utilizadas en las bolsas. Por esta razón, los colectores de cartucho seutilizan con velocidades de flujo volumétrico y cargas de particulado más bajas que las de los diseñostradicionales de las casas de bolsas (Ref. Heumann, 1997).

Algunas de los determinantes del funcionamiento de los colectores de cartucho incluyen al medio filtranteseleccionado, la frecuencia y método de limpieza y las características del particulado. Se pueden escogermedios filtrantes que interceptarán una fracción más grande de particulado, y algunos medios filtrantes serecubren con una membrana con aberturas muy finas para mejorar la remoción de particuladosubmicrométrico. Tales medios filtrantes tienden a ser más caros (Ref. ICAC, 1999).

La limpieza de los filtros de cartucho con chorros pulsantes es relativamente nueva, habiendo sido utilizadasolo durante los últimos treinta años. Este mecanismo de limpieza ha crecido en popularidadconsistentemente, porque puede tratar grandes cargas de polvo, operar con caídas de presión constantesy ocupar menos espacio que los filtros de tela tradicionales tipo bolsa. Los filtros de cartucho limpiados conchorro pulsante, pueden solamente operar como dispositivos de recolección externa de la plasta. Loscartuchos están cerrados por el fondo y abiertos por la tapa. El gas cargado de particulado fluye hacia elcolector, utilizandose difusores frecuentemente para prevenir que las partículas de gran tamaño dañen elmedio filtrante. El gas fluye del exterior al interior del cartucho y de ahí a la salida del gas. Las partículasson recolectadas en la parte exterior del medio filtrante y caen hacia una tolva por debajo del cartuchodespués de la limpieza (Ref. EPA, 1998b).

Durante la limpieza por chorro pulsante, un pulso corto, de 0.03 a 0.1 segundos de duración, de aire a altapresión, de 415 a 830 kilo Pascales (kPa) (60 a 120 libras por pulgada cuadrada manométricas (psig)), seinyecta dentro de los cartuchos (Ref. EPA, 1998b; AWMA, 1992). El pulso se sopla a través de una boquillavénturi en la parte superior de los cartuchos y establece una onda de choque que continúa hacia el fondo delos cartuchos. La onda flexiona al medio filtrante, desalojando la plasta de polvo. El ciclo de limpieza esregulado por un reloj remoto, conectado a una válvula selenoide. El pulso de aire es controlado por la válvulaselenoide y se descarga a través de tubos de viento que tienen boquillas localizadas por encima de loscartuchos (Ref. EPA, 1998b).

La limpieza con chorro pulsante tiene varios atributos que le son únicos. Debido a que el pulso de limpiezaes muy breve, no se necesita suspender el flujo de gas sucio durante la limpieza. Los otros cartuchoscontinúan filtrando, aceptando una carga extra, debido a los cartuchos que se están limpiando. En general,no hay cambio en la caída de presión ni en el funcionamiento del filtro como resultado de la limpieza porchorro pulsante. Esto permite a los colectores de cartucho con limpieza por chorro pulsante operar sobrebase continua, con válvulas solenoide como las únicas partes móviles importantes. La limpieza por chorropulsante es también más intensa y se ocurre con mayor frecuencia que los otros métodos de limpieza defiltros. Esta limpieza intensa desprende casi toda la plasta de polvo cada vez que el cartucho es pulsado.Como resultado, los filtros con limpieza por chorro pulsante no dependen de la plasta de polvo para realizarel filtrado. En los colectores de cartucho con limpieza por chorro pulsante, se utilizan medios filtrantes depapel o de material no tejido, porque no requieren de la formación de una plasta de polvo para alcanzar altaseficiencias de recolección (Ref. EPA, 1998b).

Puesto que los cartuchos limpiados por el método de chorro pulsante no necesitan aislarse para limpiarse,el colector no necesita compartimientos adicionales para mantener una adecuada filtración durante lalimpieza. Además, el plisado del medio filtrante proporciona una mayor área de filtración por volumen de lacoraza. Consecuentemente, los colectores de cartucho limpiados por el método de chorro pulsante, puedenser de menor tamaño que las casas de bolsas de tela tradicionales, en el tratamiento de la misma cantidad

Hoja de Datos EPA-CICA Filtro de TelaColector Tipo Cartucho6

de gas y polvo (Ref. EPA, 1998b). Un colector de cartucho es aproximadamente cuatro veces mas pequeñoque las casas de bolsas diseñadas para corrientes similares de gas (Ref. Heumann, 1997).

Ventajas:

En general, los filtros de cartucho proporcionan altas eficiencias de recolección tanto para materia particuladagruesa como para la de tamaño fino (submicras). Son relativamente insensibles a las fluctuaciones en lascondiciones de la corriente de gas. En los filtros con limpieza continua, la eficiencia y la caída de presiónpermanecen relativamente invariables con fuertes cambios en la carga de entrada de polvo. El aire de salidadel filtro está muy limpio y en muchos casos puede ser recirculado a la planta (para la conservación deenergía). La MP se recolecta seca para su procesamiento o disposición subsecuentes. Normalmente, noson problemas la corrosión ni la oxidación de los componentes. La operación es relativamente simple. Adiferencia de los precipitadores electrostáticos, los sistemas de filtros de cartucho no requieren de altosvoltajes, por lo que su mantenimiento se simplifica y puede recolectarse polvo inflamable con el cuidadoapropiado. El uso de ayudas selectas de filtración granulares o fibrosas, (pre-impregnado), permite larecolección con alta eficiencia de contaminantes gaseosos y de humos de tamaños submicrométricos. Loscolectores de cartucho están disponibles en un gran número de configuraciones, resultando en un rango dedimensiones y de localizaciones de las bridas de entrada y salida, para cumplir con los requisitos deinstalación (Ref. AWMA, 1992).

Desventajas:

Para temperaturas muy por encima de los 95°C (200°F), se requieren medios filtrantes especiales, los cualespueden ser caros (Ref. EPA, 1998a). Para ciertos tipos de polvos se pueden requerir medios filtrantestratados para reducir la percolación de los polvos, o en otros casos, para ayudar a la remoción del polvorecolectado. La concentración de algunos polvos en el colector, aproximadamente 50 g/m3 (22 gr/ft3), puederepresentar un peligro de fuego o explosión, si se admite accidentalmente una chispa o flama. Los filtros decartucho pueden arder si se recolecta polvo rápidamente oxidable. Los filtros de cartucho tienen requisitosde mantenimiento relativamente altos (v.g., cambio frecuente de los cartuchos). La vida de los filtros puedeser acortada a altas temperaturas y en presencia de constituyentes ácidos o alcalinos que puedan estarpresentes como gases o particulados. Los filtros de cartucho no pueden operarse en ambientes húmedos;los materiales higroscópicos, la condensación de humedad o los componentes adhesivos espesos, puedencausar una plasta quebradiza, taponamiento del medio o requerir del uso de aditivos especiales. Serequieren una caída de presión mediana, típicamente en el rango de 100 a 250 mm de columna de agua (4a 10 in. de columna de agua) (Ref. AWMA, 1992).

Una desventaja específica de las unidades con chorro pulsante que utilizan velocidades muy altas de gas,es que el polvo de los cartuchos que se han limpiado, puede ser arrastrado inmediatamente a los otroscartuchos. Si esto ocurre, solamente un poco de polvo cae en la tolva y la capa de polvo en los cartuchosse vuelve muy gruesa. Para evitar esto, los colectores de cartucho con limpieza por chorro pulsante, puedenser diseñados con compartimientos separados que se puedan aislar para la limpieza (Ref. EPA, 1998b).

Otras Consideraciones:

Los colectores de cartucho son útiles para recolectar partículas con resistividades ya sea demasiado bajaso demasiado altas como para ser recolectadas con precipitadores electrostáticos (Ref. STAPPA/ALAPCO,1996). Son ideales para aplicaciones con CPA, debido a que el procedimiento de reemplazo cartuchos serealiza por fuera de la coraza del colector. Para velocidades similares de flujo de aire, los colectores decartucho son de tamaño compacto en comparación con las casas de bolsas tradicionales. La aplicación delos colectores de cartucho está limitada a bajas velocidades de flujo de aire (Ref. Heumann, 1997).

Hoja de Datos EPA-CICA Filtro de TelaColector Tipo Cartucho7

Referencias:

AAF, 1999. AAF International, Inc., internet web page www.aafintl.com/equipment/, Core ProductsInformation, last updated December.

AWMA, 1992. Air & Waste Management Association, Air Pollution Engineering Manual, Van NostrandReinhold, New York.

EPA, 1997. U.S. EPA, Office of Air Quality Planning and Standards, “Compilation of Air PollutantEmission Factors, Volume I, Fifth Edition, Research Triangle Park, NC., October.

EPA, 1998a. U.S. EPA, Office of Air Quality Planning and Standards, “OAQPS Control Cost Manual,”Fifth Edition, Chapter 5, EPA 453/B-96-001, Research Triangle Park, NC. December.

EPA, 1998b. U.S. EPA, Office of Air Quality Planning and Standards, “Stationary Source ControlTechniques Document for Fine Particulate Matter,” EPA-452/R-97-001, Research Triangle Park, NC.,October.

Heumann, 1997. W. L. Heumann, Industrial Air Pollution Control Systems, McGraw Hill Publishers, Inc., Washington, D.C.

ICAC, 1999. Institute of Clean Air Companies internet web page www.icac.com, Control TechnologyInformation - Fabric Filters, page last updated January 11, 1999.

IFF, 1999. Industrial Filter Fabric, Inc. internet web page www.iff-filters.com, Product Bulletin 003;Cartridge Filters, December, 1999.

STAPPA/ALAPCO, 1996. State and Territorial Air Pollution Program Administrators and Association ofLocal Air Pollution Control Officials, “Controlling Particulate Matter Under the Clean Air Act: A Menu ofOptions,” July.

Torit, 1999. Torit Products a Subsidiary of Donaldson Company, Inc. internet web pagewww.torit.com/lproducts, Industrial Dust Collection Systems, last updated December.